納米銻顆粒作為液壓油添加劑的摩擦學(xué)性能

徐建林，康 昭，郭 強(qiáng)，席國(guó)強(qiáng)，王 佳

(1.蘭州理工大學(xué)甘肅省有色金屬新材料省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730050;2.蘭州理工大學(xué)溫州泵閥工程研究院，浙江溫州325105)

納米材料具有界面與表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，具有特殊的力學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等性能.近年來(lái)，納米材料在儀器、化妝品、醫(yī)藥、印刷、造紙、電子、通信、建筑及軍事等方面得到越來(lái)越多的應(yīng)用，其中納米粒子在摩擦領(lǐng)域中的應(yīng)用與研究也受到重視.研究表明，用各種聚合物、金屬、無(wú)機(jī)非金屬的納米粒子作為添加劑制備的潤(rùn)滑油能有效減少材料的摩擦磨損，提高材料的抗磨性能［1-4］.

潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程.在摩擦過(guò)程中，潤(rùn)滑油吸附在接觸表面形成一層液膜，阻隔摩擦表面微凸體的直接接觸，可有效地降低摩擦表面的摩擦系數(shù)和磨損率.由于環(huán)境因素(溫度、壓力等)變化對(duì)液體的物理性質(zhì)影響較大，在接觸件相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中復(fù)雜的物理化學(xué)作用使得在摩擦表面難以維持液膜的承載壓力，從而使粗糙表面微凸體直接接觸，導(dǎo)致摩擦表面的摩擦系數(shù)增加，使金屬表面產(chǎn)生磨損［5］.為了提高潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能和抗磨性能，目前常采用添加一些納米顆粒作為潤(rùn)滑油添加劑的方法，納米顆粒常以不同于傳統(tǒng)添加劑的作用方式起到抗磨減摩作用［6］.金屬銻是一種具有極壓、抗磨特性的元素，屬于菱方晶系，其層狀結(jié)構(gòu)的雙層和雙層之間是分子鍵［7］，具有低的剪切強(qiáng)度，這種層狀的晶體結(jié)構(gòu)使得金屬銻能夠在摩擦過(guò)程中起到減摩抗磨作用.目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)銻的化合物作為添加劑在潤(rùn)滑油脂中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)銻的化合物，如硫代銻酸銻(SbSbS4)、硫化銻(Sb2S3)、二烷基二硫代磷酸銻(SbDDP)、二烷基二硫代氨基甲酸銻(SbDDC)等具有一定的減摩抗磨性能［8-9］.

本文研究了不同摩擦條件下納米銻顆粒作為液壓油添加劑的摩擦性能，探討了其抗磨減摩機(jī)理.

1 試驗(yàn)

1.1 基礎(chǔ)油與添加劑

以L-HL46#液壓油為試驗(yàn)用基礎(chǔ)潤(rùn)滑油，以電化學(xué)法制備的納米銻顆粒［10］作為潤(rùn)滑油添加劑，分別稱(chēng)取質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%的納米銻顆粒加入到基礎(chǔ)油中，超聲分散30 min，得到摩擦試驗(yàn)所用的潤(rùn)滑油.

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)

往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)為CFT-1型材料性能測(cè)試儀.摩擦試驗(yàn)上試樣為AISI 1085高碳鋼鋼球，直徑4 mm，硬度61～66 HRC;下試樣為圓盤(pán)形45#鋼鋼塊，直徑24 mm，高4 mm，硬度210 HB.試驗(yàn)前用拋光機(jī)把鋼塊拋光，然后把鋼球和鋼塊用丙酮超聲清洗15 min，用吹風(fēng)機(jī)吹干.在摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行往復(fù)式摩擦試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)摩擦速率為41.7 mm/s，摩擦載荷分別選用 30、60、90、120 N，摩擦?xí)r間60 min.試驗(yàn)中采用試驗(yàn)機(jī)所配的傳感器測(cè)定摩擦系數(shù).以上各試驗(yàn)均重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值.試驗(yàn)后的試樣用丙酮清洗干凈.采用JEM 1200 EX透射分析電鏡對(duì)試驗(yàn)所用的銻顆粒進(jìn)行表征，用JSM-6700F型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察磨痕表面和用能譜儀(EDX)進(jìn)行元素分析.采用2206型表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量下試樣磨痕的截面面積，磨損體積用截面面積乘以磨痕長(zhǎng)度計(jì)算得出.

2 結(jié)果及討論

2.1 納米銻顆粒的形貌

圖1所示為試驗(yàn)用納米銻顆粒的TEM形貌照片，可以看出用電化學(xué)方法制備的納米銻顆粒近似球形，具有較好的分散性和粒徑分布，其平均粒徑為50 nm.

圖1 納米銻顆粒的透射電鏡照片

2.2 含納米銻顆粒潤(rùn)滑油的摩擦學(xué)性能

圖2所示為不同銻含量的潤(rùn)滑油、采用不同的摩擦載荷時(shí)，45#鋼鋼塊(下試樣)的磨損體積和摩擦系數(shù)變化曲線.

圖2 不同載荷下摩擦系數(shù)和磨損體積隨銻含量的變化

圖2(a)為摩擦載荷分別選用30、60、90、120 N時(shí)納米銻添加劑含量與摩擦系數(shù)的關(guān)系曲線.由圖2(a)可以看出:

當(dāng)摩擦載荷為30 N時(shí)，純液壓油潤(rùn)滑時(shí)的摩擦系數(shù)為0.1124;當(dāng)液壓油中銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)摩擦系數(shù)有所升高，為0.1255;當(dāng)液壓油中銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%、0.5%、0.7%、0.9%時(shí)，摩擦系數(shù)分別為0.1017、0.077、0.0792、0.0637，相對(duì)于純液壓油潤(rùn)滑下的摩擦系數(shù)有所降低，尤其是當(dāng)銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%和0.9%時(shí)，其摩擦系數(shù)較純液壓油的摩擦系數(shù)分別降低了32%和43%.

當(dāng)摩擦載荷為60 N，銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%時(shí)，液壓油潤(rùn)滑的摩擦系數(shù)分別為 0.0794、0.0490、0.0553、0.0584、0.0560，相對(duì)于純液壓油潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)0.0918都有所降低，其中當(dāng)銻顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)其平均摩擦系數(shù)最小，相對(duì)于純液壓油潤(rùn)滑下的摩擦系數(shù)降低了46%.

當(dāng)摩擦載荷為90 N，銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，液壓油潤(rùn)滑的摩擦系數(shù)分別為 0.0730、0.0595、0.0626、0.0616、0.0658，相對(duì)于純液壓油潤(rùn)滑下的摩擦系數(shù)0.0986都有所降低，其中銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%、0.5%、0.7%、0.9%的液壓油潤(rùn)滑下的摩擦系數(shù)相差不大，較純液壓油的摩擦系數(shù)分別降低了39% 、36% 、37% 、33%.

當(dāng)摩擦載荷為120 N時(shí)，純液壓油潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)為0.0529，銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%的液壓油潤(rùn)滑下的摩擦系數(shù)分別為 0.0491、0.0586、0.0481、0.0524、0.0571.由此表明，當(dāng)摩擦載荷為120 N，納米銻顆粒的添加量對(duì)摩擦系數(shù)的影響不明顯.僅銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)摩擦系數(shù)較低，與純液壓油潤(rùn)滑下的摩擦系數(shù)相比降低了10%.

圖2(a)表明，當(dāng)摩擦載荷為30 N時(shí)摩擦系數(shù)曲線有一個(gè)先升高再降低的趨勢(shì)，隨著銻含量的增加摩擦系數(shù)不斷降低;當(dāng)摩擦載荷為60和90 N時(shí)，在液壓油中加入銻顆粒使其摩擦系數(shù)急劇下降，隨著銻含量的增加摩擦系數(shù)曲線變得平緩;當(dāng)摩擦載荷為120 N時(shí)，摩擦系數(shù)變化不大，摩擦系數(shù)曲線整體比較平緩.由此可以看出在純液壓油中添加一定比例的納米銻顆?？善鸬綔p摩作用，只是在不同載荷下，不同的銻添加量其效果有所不同.從圖2(a)中還可看出，隨著銻含量的增加，各載荷下摩擦系數(shù)間的差距越來(lái)越小;當(dāng)銻顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%時(shí)，不同載荷下的摩擦系數(shù)相差不大.

圖2(b)所示為摩擦載荷分別為30、60、90、120 N時(shí)，納米銻添加劑含量與45#鋼鋼塊(下試樣)磨損體積之間的關(guān)系曲線.當(dāng)載荷為30 N時(shí)，液壓油中的銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%和0.5%時(shí)，45#鋼試樣的磨損體積分別為1.148×10-11和1.12×10-11m3，相對(duì)于純液壓油潤(rùn)滑下45#鋼試樣的磨損體積1.96×10-11m3分別降低了41%和43%，而銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，其摩擦體積最大，為2.08×10-11m3.

當(dāng)摩擦載荷為60 N時(shí)，45#鋼試樣的磨損體積總體變化不大，納米銻顆粒的加入對(duì)液壓油抗磨性能的影響不明顯.當(dāng)摩擦載荷為90 N時(shí)，隨著銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.1%增大到0.9%，45#鋼試樣的磨損體積呈下降趨勢(shì).其中，當(dāng)液壓油中銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%時(shí)，45#鋼試樣磨損體積最小，為7.12×10-11m3，與純液壓油潤(rùn)滑下的磨損體積13.92×10-11m3相比降低了46%.當(dāng)摩擦載荷為120 N時(shí)，45#鋼試樣的磨損體積隨潤(rùn)滑油中銻含量的變化曲線是先增大再減小再增大的趨勢(shì).其中，當(dāng)液壓油中銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，45#鋼試樣的磨損體積最小，為13.36×10-11m3，相對(duì)于純液壓油潤(rùn)滑下45#鋼試樣的磨損體積33.23×10-11m3降低了60%，表現(xiàn)出顯著的抗磨性能.

由以上分析可看出，摩擦載荷為30、60、90、120 N時(shí)的最佳納米銻顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、0.3%、0.9%、0.5%，所以不同載荷下要得到抗磨減摩性能最優(yōu)的潤(rùn)滑油，要加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米銻顆粒.綜合分析也可以得出重載荷下納米銻顆粒能顯著提高液壓油的抗磨減摩性能.

2.3 摩擦表面形貌及分析

圖3所示為摩擦載荷為30 N時(shí)，45#鋼鋼塊(下試樣)摩擦表面的500倍SEM照片.圖3(a)為純液壓油潤(rùn)滑下45#鋼試樣的摩擦表面，其表面有密集的犁溝存在，圖3(b)和圖3(d)分別為銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%和0.9%的液壓油潤(rùn)滑下45#鋼試樣的摩擦表面，其表面相對(duì)來(lái)說(shuō)比較光滑，有少量的犁溝存在.圖3(c)為銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的液壓油潤(rùn)滑下45#鋼的摩擦表面，其表面最光滑，只有少量的剝落現(xiàn)象.

圖4所示為摩擦載荷為60 N時(shí)，45#鋼試樣摩擦表面的500倍SEM照片，可以看出4張照片磨損程度相差不大，銻顆粒的加入對(duì)摩擦表面影響不明顯.

圖5所示為摩擦載荷為90 N時(shí)，45#鋼試樣摩擦表面的500倍SEM照片.圖5(a)為純液壓油潤(rùn)滑下45#鋼試樣的摩擦表面，可以看出其表面有大量的犁溝存在，摩擦表面極不光滑.圖5(b)為銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%的液壓油潤(rùn)滑下45#鋼試樣的摩擦表面，其表面與圖5(a)相比犁溝數(shù)量增多，磨損量增大.圖5(c)和圖5(d)分別為銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%和0.9%的液壓油潤(rùn)滑下45#鋼試樣的磨痕表面，其表面相對(duì)來(lái)說(shuō)就比較光滑了，只有幾道比較淺的犁溝出現(xiàn).

圖6所示為摩擦載荷為120 N時(shí)，45#鋼試樣摩擦表面的500倍SEM照片.從圖6可以看出，純液壓油潤(rùn)滑下45#鋼的摩擦表面有比較多且深的犁溝，含銻粉的液壓油潤(rùn)滑下的摩擦表面比光滑，犁溝數(shù)量明顯減少.圖6(c)為銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的液壓油潤(rùn)滑下45#鋼試樣的摩擦表面，其表面光滑平整，基本沒(méi)有犁溝產(chǎn)生，只有少量的剝落現(xiàn)象，相對(duì)于純液壓油潤(rùn)滑下45#鋼試樣的摩擦表面光滑很多.圖6(d)為銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.9%的液壓油潤(rùn)滑下45#鋼試樣的摩擦表面，可以看出隨著銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加摩擦表面又有部分犁溝產(chǎn)生，可能是由于重載荷下大量的銻顆粒在摩擦接觸面發(fā)生團(tuán)聚，黏附在摩擦表面加重了磨損的程度.

圖3 30 N摩擦載荷下45#鋼(下試樣)磨痕照片

圖4 60 N摩擦載荷下45#鋼(下試樣)磨痕照片

圖5 90 N摩擦載荷下45#鋼(下試樣)磨痕照片

圖6 120 N摩擦載荷下45#鋼(下試樣)磨痕照片

從圖3～圖6可知:摩擦載荷為30 N時(shí)，含納米銻顆粒的潤(rùn)滑油潤(rùn)滑條件下的摩擦表面明顯比純液壓油潤(rùn)滑下的摩擦表面光滑，犁溝數(shù)量減少;摩擦載荷為60 N時(shí)，摩擦表面的光滑程度相差不大;摩擦載荷為90 N時(shí)，隨著銻含量的增加摩擦表面的犁溝數(shù)量先增多再減少，當(dāng)液壓油中銻顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%時(shí)，其摩擦表面最為光滑，只有少量的犁溝產(chǎn)生;當(dāng)摩擦載荷為120 N時(shí)，隨著銻含量的增加摩擦表面犁溝數(shù)量先減少再增多，銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的液壓油潤(rùn)滑下的摩擦表面最為光滑，基本沒(méi)有犁溝產(chǎn)生，只有少量的剝落現(xiàn)象.由此可以看出摩擦表面磨損程度變化趨勢(shì)與磨損體積曲線相對(duì)應(yīng).

在純液壓油潤(rùn)滑條件下，隨著載荷的增大，45#鋼試樣的摩擦表面粗糙度變大，犁溝數(shù)量逐漸增多;銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的液壓油潤(rùn)滑時(shí)，隨著載荷的增大摩擦表面犁溝數(shù)量先增多再減少;銻含量為0.5%和0.9%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的液壓油潤(rùn)滑時(shí)，不同載荷下45#鋼試樣摩擦表面粗糙度相差很小，相對(duì)于純液壓油潤(rùn)滑下的摩擦表面來(lái)說(shuō)光滑很多，只有少量的犁溝存在.

以上分析表明，在本試驗(yàn)潤(rùn)滑摩擦條件下摩擦表面均有犁溝產(chǎn)生，摩擦中存在磨粒磨損，摩擦過(guò)程中載荷將微凸體壓入摩擦表面，滑動(dòng)時(shí)在摩擦力的作用下微凸體在摩擦表面產(chǎn)生犁溝.

圖7所示為摩擦載荷90 N時(shí)，純液壓油潤(rùn)滑摩擦條件下1085鋼球(上試樣)磨斑表面500倍SEM圖.從圖中可以看出鋼球磨斑表面有明顯的粘著物，其粘著物的產(chǎn)生與該摩擦過(guò)程中剪切破壞有關(guān)［11］.摩擦中的剪切作用主要發(fā)生在軟金屬的表層上，當(dāng)45#鋼塊與1085鋼球?qū)δr(shí)，由于45#鋼(下試樣)硬度比較低，往復(fù)摩擦的切削作用在45#鋼表面產(chǎn)生了大量磨屑，這些磨屑在摩擦產(chǎn)生的高溫以及壓力的作用下遷移到鋼球表面形成粘著物，進(jìn)而粘著物又使45#鋼表面出現(xiàn)劃痕.由此可以看出摩擦過(guò)程中存在粘著磨損，摩擦機(jī)制主要為粘著磨損和磨粒磨損.

納米粒子的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)使得納米粒子有比較高的活性和比較低的熔點(diǎn)，納米銻顆粒作為潤(rùn)滑油添加劑很容易在摩擦表面接觸區(qū)高溫高壓的作用下與金屬表面發(fā)生作用，形成一層表面膜，如圖8所示，在1085鋼球(上試樣)摩擦表面可以明顯看到一層不連續(xù)的潤(rùn)滑膜.納米顆粒在摩擦試樣表面形成潤(rùn)滑膜在很多研究中均得到證實(shí)［12-13］.

圖7 90 N純液壓油潤(rùn)滑下鋼球磨斑表面SEM照片

圖8 鋼球磨斑表面的SEM照片(90 N，Sb質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.9%)

表1為摩擦載荷90 N時(shí)銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.9%的液壓油潤(rùn)滑條件下摩擦表面區(qū)域掃描EDX成分分析結(jié)果.從表1可以看出，在1085鋼球(上試樣)的摩擦表面形成的潤(rùn)滑膜，銻元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.16%，圖5(d)中45#鋼(下試樣)的平滑區(qū)域銻元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.78%.

表1 90 N 0.9%銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)摩擦表面EDX成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

在往復(fù)摩擦過(guò)程中兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦表面將發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)變化，摩擦中的摩擦熱使接觸表面產(chǎn)生高溫，潤(rùn)滑油中高活性的納米銻顆粒在高溫高壓的環(huán)境下很容易與摩擦表面的金屬相互作用，滲透或吸附在金屬表面形成一層含銻的自修復(fù)膜.在摩擦磨損過(guò)程中，摩擦副表面接觸應(yīng)力不斷變化，摩擦表面的潤(rùn)滑膜處于局部破損與修復(fù)的動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程中.摩擦過(guò)程中表面膜在摩擦力的反復(fù)作用下，其脆弱部位就會(huì)產(chǎn)生微裂紋，并且隨著摩擦的不斷進(jìn)行而長(zhǎng)大，最終使得表面膜局部區(qū)域脫落，裸露出新鮮的金屬表面.潤(rùn)滑油中的納米銻顆粒與新鮮的金屬發(fā)生相互作用，重新形成潤(rùn)滑膜，從而達(dá)到一種動(dòng)態(tài)平衡.這層表面膜有效地隔離了摩擦副中微凸體的直接接觸，減小了摩擦過(guò)程中的犁溝效應(yīng)和粘著效應(yīng)，起到良好的抗磨減摩效果.

3 結(jié)論

1)在不同載荷下要得到抗磨減摩性能最優(yōu)的潤(rùn)滑油需要加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米銻顆粒，當(dāng)載荷為120 N時(shí)，在液壓油中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的納米銻顆粒得到的潤(rùn)滑油抗磨減摩性能最好.

2)隨著銻含量的增加，不同載荷下摩擦表面的平均摩擦系數(shù)之間的差值越來(lái)越小，當(dāng)銻顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%時(shí)，不同載荷下的平均摩擦系數(shù)已相差不大.

3)摩擦試樣表面有富含銻的表面膜形成，有效地減小了摩擦副的直接接觸，產(chǎn)生了良好的減摩抗磨效果.

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